KR20160027304A - Frictional electricity energy generator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

Provided are a frictional electricity energy generator and a manufacturing method thereof. The frictional electricity energy generator of the present invention comprises: a first fabric substrate; a polymer layer placed on the first fabric substrate, whose surface has a bumpy shape, and which comprises a polymer having electrification characteristics; and, a second fabric substrate placed on the polymer layer, whose surface is coated with a metal buffer layer and which has multiple metal particles in the embossed form on the metal buffer layer facing the polymer layer. As the polymer layer repeats contact and noncontact with the metal particles, frictional electricity occurs between the polymer layer and the metal particles. Accordingly, the increase in the frictional surface area can be maximized.

Description

마찰전기 에너지 발생 소자 및 이의 제조방법{Frictional electricity energy generator and manufacturing method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a frictional electric energy generating device,

본 발명은 에너지 발생 소자에 관한 것으로, 더 상세하게는 마찰전기 에너지 발생 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an energy generating element, and more particularly, to a tractive electric energy generating element and a manufacturing method thereof.

외부 에너지원(예를 들면 열에너지, 동물 움직임, 바람, 또는 파도 등과 같은 자연으로부터 발생하는 기계적 에너지)를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 하비스트(energy harvest) 기술은 최근 친환경 기술로서 널리 연구되고 있다. 이에, 최근들어 에너지 하비스트 기술에 사용되는 에너지 발생소자에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Energy harvest technology, which converts external energy sources (for example, mechanical energy originating from nature such as thermal energy, animal movement, wind, or waves) into electrical energy, has recently been widely studied as environmentally friendly technology. Recently, researches on energy generating devices used in energy harvesting technology have been actively carried out.

에너지를 하비스트(수집)하는 기술 중 하나는 마찰전기를 활용하는 것이다. 마찰전기는 대전이 잘되는 물체 간의 마찰 정전기 일종을 뜻한다. 마찰전기를 활용한 에너지 발생 소자는 상부 전극 및 하부 전극 사이의 적어도 둘 이상의 액티브 물질이 존재하고, 상기 둘 이상의 액티브 물질이 접촉했을 때와 떨어졌을 때 발생하는 정전기에 의한 대전 차이로 에너지가 발생한다. 이 때, 에너지 발생 소자의 전력 특성은 엑티브 물질의 종류, 액티브 물질 간의 거리, 및 액티브 물질의 표면적과 같은 요소에 의해 결정된다.One technique for harvesting energy is to utilize triboelectricity. Triboelectricity refers to a type of friction static between charged objects. The energy generating element utilizing the triboelectric energy has at least two active materials between the upper electrode and the lower electrode, and energy is generated due to the charging difference caused by the static electricity generated when the two or more active materials are in contact with each other. At this time, the power characteristics of the energy generating element are determined by such factors as the kind of the active material, the distance between the active materials, and the surface area of the active material.

종래에는 액티브 물질의 표면적을 넓히기 위해 포토리소그래피 공정을 이용하여 몰드를 제작한 뒤 그 뒤에 추가적인 공정을 거쳐 액티브 물질의 표면적을 넓게 하였으나, 이러한 방법은 에너지 발생 소자의 단가를 높이고 공정이 복잡해지는 단점이 있고, 표면적 증가가 여전히 제한적이다.Conventionally, in order to widen the surface area of an active material, a mold is fabricated by using a photolithography process, and then the surface area of the active material is increased through an additional process. However, such a method increases the cost of the energy generating device and complicates the process And surface area increase is still limited.

또한, 기존의 에너지 발생 소자를 개발하기 위해 사용된 기판들은 유연성이 제한적이기 때문에 웨어러블 소자로 적용하기에는 어려운 점이 있다.In addition, since the flexibility of the substrates used for developing the conventional energy generating devices is limited, it is difficult to apply them as wearable devices.

이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 착안된 것으로서, 마찰 표면적 증가를 극대화할 수 있는 마찰전기 에너지 발생 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있고, 공정을 단순화할 수 있는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a triboelectric energy generating device capable of maximizing a friction surface area increase and a manufacturing method thereof, Another object is to provide a method of manufacturing a generating element.

또한, 웨어러블 소자로 적용할 수 있는 마찰전기 에너지 발생 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a triboelectric energy generating device which can be applied as a wearable device and a manufacturing method thereof.

본 발명의 일 측면은 마찰전기 에너지 발생 소자를 제공한다. 상기 마찰전기 에너지 발생 소자는 제1 직물기판, 상기 제1 직물기판 상에 배치되고, 표면이 요철 형태를 가지며, 대전 특성을 갖는 고분자를 포함하는 고분자층, 및 상기 고분자층 상에 배치되며, 표면이 금속버퍼층으로 코팅되고, 상기 고분자층을 바라보는 금속버퍼층 상에 엠보싱 형태로 복수개의 금속 파티클들이 위치하는 제2 직물기판을 포함하되, 상기 고분자층이 상기 금속 파티클들과 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 상기 고분자층 및 상기 금속 파티클들 사이에서 마찰전기가 발생되는 것을 특징으로 한다.One aspect of the present invention provides a triboelectric energy generating element. Wherein the triboelectric energy generating element comprises a first fabric substrate, a polymer layer disposed on the first fabric substrate, the polymer layer having a surface having a concavo-convex shape and having a charging property, and a polymer layer disposed on the polymer layer, And a second fabric substrate coated with the metal buffer layer and having a plurality of metal particles positioned in an embossed form on a metal buffer layer facing the polymer layer, wherein the polymer layer repeatedly contacts and contacts the metal particles A triboelectricity is generated between the polymer layer and the metal particles.

상기 금속버퍼층은 Au, Cu, Ag 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 파티클들에 포함된 금속 물질은 상기 금속버퍼층에 포함된 금속 물질과 다른 물질이 수 있으며, 이 때, 상기 금속 파티클들은 Al, Zn, 및 Mg로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The metal buffer layer may include at least one selected from the group consisting of Au, Cu, Ag, and Pt. The metal material contained in the metal particles may be a material different from the metal material contained in the metal buffer layer. At this time, the metal particles may include at least one selected from the group consisting of Al, Zn, and Mg.

상기 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리테트라 플루오르에틸렌 (PTFE, Polytetrafluoroethylene), 및 폴리염화비닐 (PVC, Polyvinyl chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 파티클은 마찰 대전체 및 전극 역할을 수행할 수 있다.The polymer may include at least one selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinyl chloride (PVC) And can serve as a whole friction electrode and an electrode.

본 발명의 다른 측면은 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법을 제공한다. 상기 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법은, 제1 직물기판을 준비하는 단계, 상기 제1 직물기판 상에 표면이 요철 형태를 가지며, 대전 특성을 갖는 고분자를 포함하는 고분자층을 형성하는 단계, 표면에 금속버퍼층으로 코팅된 제2 직물기판의 상기 금속버퍼층 상에 엠보싱 형태로 복수개의 금속 파티클들을 형성하는 단계, 및 상기 고분자층과 상기 금속 파티클들이 마주보도록 상기 고분자층이 형성된 제1 직물기판 상에 상기 제2 직물기판을 배치하는 단계를 포함하되, 상기 고분자층이 상기 금속 파티클들과 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 상기 고분자층 및 상기 금속 파티클들 사이에서 마찰전기가 발생되는 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention provides a method of manufacturing a triboelectric energy generating element. The method for manufacturing a triboelectric energy generating element includes the steps of preparing a first fabric substrate, forming a polymer layer having a surface having an irregular shape on the first fabric substrate and including a polymer having a charging property, Forming a plurality of metal particles in an embossed form on the metal buffer layer of a second fabric substrate coated with a metal buffer layer on a first fabric substrate having the polymer layer facing the polymer layer, And disposing the second fabric substrate, wherein triboelectricity is generated between the polymer layer and the metal particles as the polymer layer repeats contact and non-contact states with the metal particles.

상기 고분자층을 형성하는 단계는 드라이 에칭 공정을 이용할 수 있고, 상기 드라이 에칭 공정은 반응성 이온에칭(reactive ion etching, RIE) 공정 및 유도 결합형 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP) 공정으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 공정을 사용할 수 있다. The step of forming the polymer layer may use a dry etching process, and the dry etching process may be selected from the group consisting of a reactive ion etching (RIE) process and an inductively coupled plasma (ICP) process Can be used.

상기 금속버퍼층 상에 금속 파티클들을 형성하는 단계는, 진공 증착법을 수행하여 형성할 수 있으며, 상기 진공 증착법은 0.1Å/s 내지 0.2Å/s의 속도로 수행할 수 있다. 또한, 상기 금속버퍼층 상에 금속 파티클들을 형성하는 단계는, 상기 금속 파티클들의 평균 두께가 3nm 내지 5nm의 두께로 형성될 때까지 상기 금속 파티클들을 증착할 수 있다. 그리고, 상기 금속 파티클들에 포함된 금속 물질은 상기 금속버퍼층에 포함된 금속 물질과 다른 물질을 사용할 수 있다.The forming of the metal particles on the metal buffer layer may be performed by vacuum deposition, and the vacuum deposition may be performed at a rate of 0.1 Å / s to 0.2 Å / s. The forming of the metal particles on the metal buffer layer may include depositing the metal particles until the average thickness of the metal particles is 3 nm to 5 nm. The metal material contained in the metal particles may be a material different from the metal material contained in the metal buffer layer.

본 발명을 따르면 마찰 에너지 발생 소자의 마찰 표면적 증가를 극대화할 수 있고, 마찰 에너지 발생 소자 제조 공정을 단순화할 수 있다.According to the present invention, it is possible to maximize the increase of the frictional surface area of the frictional energy generating element and to simplify the manufacturing process of the frictional energy generating element.

또한, 웨어러블 소자로 적용할 수 있는 마찰전기 에너지 발생 소자를 제공할 수 있는 효과가 있다.Further, there is provided an effect of providing a triboelectric energy generating element applicable as a wearable element.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 2는 제조예 1에서 직물기판 상에 코팅된 PDMS 나노 구조체의 평면 이미지이다.
도 3은 제조예 1에서 직물기판 상에 코팅된 PDMS 나노 구조체의 단면 이미지이다.
도 4는 제조예 1의 직물기판 상에 코팅된 Al 코팅층 표면 SEM 이미지이다.
도 5은 비교예 1의 직물기판 상에 코팅된 Al 코팅층 표면 SEM 이미지이다.
도 6은 비교예 2의 직물기판 상에 코팅된 Al 코팅층 표면 SEM 이미지이다.
도 7은 제조예, 비교예 1, 및 비교예2의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.
도 8는 제조예, 비교예 1, 및 비교예2의 출력 전류를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 파티클 층 두께에 따른 표면 SEM이미지들이다.
1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a triboelectric energy generating device according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a planar image of a PDMS nanostructure coated on a fabric substrate in Production Example 1. Fig.
3 is a cross-sectional image of a PDMS nanostructure coated on a fabric substrate in Production Example 1. FIG.
4 is a SEM image of the surface of an Al coating layer coated on the fabric substrate of Production Example 1. Fig.
5 is a SEM image of a surface of an Al coating layer coated on a fabric substrate of Comparative Example 1. Fig.
6 is a SEM image of a surface of an Al coating layer coated on a fabric substrate of Comparative Example 2. Fig.
7 is a graph showing the output voltages of Production Example, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Fig.
8 is a graph showing the output currents of Production Example, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Fig.
FIG. 9 is a SEM image of a surface of a metal particle layer according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms and includes all equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

또한, 본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안된다.In addition, where a layer is referred to herein as being "on" another layer or substrate, it may be formed directly on another layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. In the present specification, directional expressions of the upper side, upper side, upper side, and the like can be understood as meaning lower, lower, lower, and the like according to the standard. In other words, the expression of spatial direction should be understood in relative direction and should not be construed as limiting in absolute direction.

도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성 요소들을 나타낸다.In the drawings, the thicknesses of the layers and regions may be exaggerated or reduced for clarity. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.1A to 1D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a triboelectric energy generating device according to an embodiment of the present invention.

도 1a를 참고하면, 제1 직물기판(10)을 준비한다.Referring to FIG. 1A, a first fabric substrate 10 is prepared.

전술된 제1 직물기판(10)은 유연하고 신축성을 가지는 직물일 수 있고, 전술된 직물은 직조된 형태의 직물일 수 있다. 이에, 웨어러블 소자로 적용할 수 있는 효과가 있다.The first fabric substrate 10 described above can be a flexible and stretch fabric, and the fabric described above can be a fabric in a woven form. Therefore, there is an effect that it can be applied to a wearable element.

이 후, 전술된 제1 직물기판(10)을 금속 버퍼 물질을 사용하여 표면을 금속버퍼층(미도시)으로 코팅할 수 있다.The first fabric substrate 10 described above can then be coated with a metal buffer layer (not shown) using a metal buffer material.

전술된 금속 버퍼 물질로는 Au, Cu, Ag 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 사용할 수 있다. 또한, 전술된 금속버퍼층으로 코팅을 위해 화학적 기상 증착법(CVD)을 이용함이 바람직하다.As the above-mentioned metal buffer material, at least one material selected from the group consisting of Au, Cu, Ag and Pt can be used. It is also preferable to use chemical vapor deposition (CVD) for coating with the metal buffer layer described above.

이 후, 상기 제1 직물기판(10) 상에 표면이 요철 형태를 가지며, 대전 특성을 갖는 고분자를 포함하는 고분자층(20)을 형성한다.Thereafter, the polymer layer 20 having a concavo-convex shape on the surface of the first fabric substrate 10 and containing a polymer having a charging property is formed.

전술된 고분자층(20)에 포함된 고분자는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제1 액티브 물질로 작용하고, 전술된 제1 직물기판(10) 및 후술되는 상부 제2 직물기판(40) 사이에서 전술된 고분자층(20)과 후술되는 금속 파티클들이 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 마찰전기를 발생시킨다.The polymer contained in the polymer layer 20 described above acts as a first active material of the triboelectric energy generating element and is formed between the first fabric substrate 10 described above and an upper second fabric substrate 40 described below The polymer layer 20 and the metal particles described later are repeatedly brought into contact and noncontact states to generate triboelectricity.

전술된 대전 특성을 갖는 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리테트라 플루오르에틸렌 (PTFE, Polytetrafluoroethylene), 및 폴리염화비닐 (PVC, Polyvinyl chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The polymer having the charging property described above may include at least one selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinyl chloride (PVC) .

전술된 고분자층(20)의 표면이 요철 형태를 갖도록 하기 위해, 드라이 에칭 공정을 이용할 수 있다. 드라이 에칭 공정을 이용할 경우, 간단한 공정을 통해 전술된 고분자층(20)의 표면적을 증가시키고 표면의 거칠기(roughness)를 향상시킨다. 이에따라, 후술되는 금속 파티클들(30)과 마찰을 일으킬 때 마찰되는 표면적 및 마찰빈도를 향상시켜 마찰전기 에너지 발생 소자의 에너지 발생 효율을 극대화할 수 있다.In order to make the surface of the polymer layer 20 described above have a concavo-convex shape, a dry etching process can be used. When a dry etching process is used, the surface area of the polymer layer 20 described above is increased through a simple process and the surface roughness is improved. Accordingly, it is possible to maximize the energy generation efficiency of the triboelectric energy generating element by improving the surface area and the friction frequency to be rubbed when friction occurs with the metal particles 30 to be described later.

전술된 드라이 에칭 공정은 반응성 이온에칭(reactive ion etching, RIE) 공정 및 유도 결합형 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP) 공정으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 공정을 사용할 수 있다.The dry etching process may use at least one process selected from the group consisting of a reactive ion etching (RIE) process and an inductively coupled plasma (ICP) process.

도 1c를 참조하면, 표면에 금속버퍼층으로 코팅된 제2 직물기판(40)의 전술된 금속버퍼층 상에 엠보싱 형태로 복수개의 금속 파티클들(30)을 형성한다.Referring to FIG. 1C, a plurality of metal particles 30 are formed in an embossed form on the metal buffer layer of the second fabric substrate 40 coated with a metal buffer layer on the surface.

전술된 제2 직물기판(40)은 유연하고 신축성을 가지는 직물일 수 있고, 전술된 직물은 직조된 형태의 직물일 수 있다. 이에, 웨어러블 소자로 적용할 수 있는 효과가 있다. 전술된 제2 직물기판(40)을 금속버퍼층(미도시)으로 코팅하기 위해 금속 버퍼 물질로는 Au, Cu, Ag 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 사용할 수 있다. 또한, 전술된 금속버퍼층 코팅을 위해 화학적 기상 증착법(CVD)을 이용함이 바람직하다.The second fabric substrate 40 described above may be a flexible and stretch fabric, and the fabric described above may be a fabric in a woven form. Therefore, there is an effect that it can be applied to a wearable element. At least one material selected from the group consisting of Au, Cu, Ag, and Pt may be used as the metal buffer material to coat the second fabric substrate 40 described above with a metal buffer layer (not shown). It is also preferable to use chemical vapor deposition (CVD) for the above-described metal buffer layer coating.

이 후, 전술된 표면에 금속버퍼층으로 코팅된 제2 직물기판(40)의 전술된 금속버퍼층 상에 엠보싱 형태를 갖는 복수개의 금속 파티클들(30)을 형성한다.Thereafter, a plurality of metal particles 30 having an embossed form are formed on the aforementioned metal buffer layer of the second fabric substrate 40 coated with the metal buffer layer on the aforementioned surface.

전술된 금속 파티클들(30)의 금속은 마찰전기 에너지 발생 소자의 제2 액티브 물질로 작용하고, 전술된 제1 직물기판(10) 및 후술되는 상부 제2 직물기판(40) 사이에서 전술된 고분자층(20)과 전술된 금속 파티클들이 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 마찰전기를 발생시킨다.The metal of the above-mentioned metal particles 30 acts as a second active material of the triboelectric energy generating element and is formed between the above-described first fabric substrate 10 and the above-mentioned second upper fabric substrate 40, The layer 20 and the above-mentioned metal particles generate triboelectricity by repeating contact and non-contact states.

전술된 금속 파티클은 Al, Zn, 및 Mg로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때, 전술된 금속 파티클은 마찰 대전체 및 전극 역할을 수행할 수 있다. 수자의 구조를 간소화할 수 있어 대량 생산 시 고집적화가 가능하다.The above-mentioned metal particles may include at least one selected from the group consisting of Al, Zn, and Mg. At this time, the above-mentioned metal particles can serve as the entire friction pad and the electrode. It is possible to simplify the structure of the digitizer, thereby enabling high integration in mass production.

전술된 엠보싱 형태를 갖는 복수개의 금속 파티클들(30)은 진공 증착법을 수행함에 따라, 엠보싱 형태를 가지며 형성된다.The plurality of metal particles 30 having the above-described embossed shape are formed with an embossing shape by performing a vacuum deposition method.

또한, 진공 증착 시, 0.1Å/s 내지 0.2Å/s의 속도로 진공 증착 하는 것이 바람직하다. 전술된 진공 증착 속도가 0.1Å/s 미만일 경우, 금속 파티클 형성 속도가 느려질 수 있고, 전술된 진공 증착 속도가 0.2Å/s을 상회할 경우, 엠보싱 형태를 갖는 금속 파티클이 아닌 금속막 형태로 금속 물질이 코팅될 확률이 높아진다. 이에, 마찰 표면적이 좁아짐에 따라 마찰 전기 발생 효과가 저하될 수 있다.In vacuum deposition, it is preferable to perform vacuum deposition at a rate of 0.1 A / s to 0.2 A / s. When the above-described vacuum deposition rate is less than 0.1 Å / s, the metal particle formation rate may be slowed, and when the above-described vacuum deposition rate exceeds 0.2 Å / s, metal particles in the form of metal film The probability of coating the material increases. Accordingly, the frictional electricity generation effect may be lowered as the friction surface area becomes narrower.

이 때, 전술된 금속 파티클들(30)의 평균 두께가 3nm 내지 4nm의 두께로 형성될 때까지 전술된 금속 파티클들(30)을 증착는 것이 바람직하다. 전술된 두께 범위로 금속 파티클들을 형성할 때, 금속 파티클들의 표면적이 넓어지고, 이에, 마찰 표면적이 넓어져 마찰전기 에너지 발생 효율이 향상된다. 전술된 금속 파티클들(30)의 평균 두께가 3nm미만으로 형성되거나, 4nm를 상회할 경우, 금속 파티클이 아닌 금속막 형태로 금속 물질이 코팅될 확률이 높아진다. 이에, 마찰 표면적이 좁아짐에 따라 마찰 전기 발생 효과가 저하될 수 있다.At this time, it is preferable to deposit the metal particles 30 described above until the average thickness of the metal particles 30 described above is formed to a thickness of 3 nm to 4 nm. When the metal particles are formed in the thickness range described above, the surface area of the metal particles is widened, and the friction surface area is widened, thereby improving the efficiency of generating the triboelectric energy. When the average thickness of the above-mentioned metal particles 30 is less than 3 nm or more than 4 nm, the probability that the metal material is coated in the form of a metal film other than metal particles increases. Accordingly, the frictional electricity generation effect may be lowered as the friction surface area becomes narrower.

이 때, 전술된 금속 파티클들(30)에 포함된 금속 물질은 전술된 금속버퍼코팅층에 포함된 금속 물질과 다른 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 전술된 금속 파티클(30) 물질과 전술된 버퍼 물질의 표면에너지 차이가 발생하여 엠보싱 형태의 금속 파티클들(30) 고르게 형성되어 마찰 표면적이 더 넓어진다. 이에, 마찰 전기 발생 효과가 극대화된다.At this time, it is preferable that the metal material contained in the metal particles 30 described above is different from the metal material contained in the metal buffer coating layer described above. In this case, the surface energy difference of the above-mentioned metal particle 30 material and the above-mentioned buffer material is generated, so that the metal particles 30 of the embossed form are evenly formed, thereby widening the friction surface area. Thus, the effect of generating triboelectricity is maximized.

도1d를 참조하면, 전술된 고분자층(20)과 전술된 금속 파티클들(30)이 마주보도록 전술된 고분자층이 형성된 제1 직물기판(10) 상에 전술된 제2 직물기판(40)을 배치한다. 이에 따라, 전술된 고분자층(20)이 전술된 금속 파티클들(30)과 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 전술된 고분자층(20) 및 전술된 금속 파티클들(30) 사이에서 마찰전기가 발생된다.1D, the above-described second fabric substrate 40 is formed on the first fabric substrate 10 on which the above-described polymer layer is formed such that the above-mentioned polymer layer 20 and the aforementioned metal particles 30 face each other. . Thus, as the polymer layer 20 described above repeats contact and non-contact with the metal particles 30 described above, triboelectricity occurs between the polymer layer 20 and the metal particles 30 described above do.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰전기 에너지 발생 소자는 제1 직물기판(10), 전술된 제1 직물기판(10) 상에 배치되고, 표면이 요철 형태를 가지며, 대전 특성을 갖는 고분자를 포함하는 고분자층(20), 및 전술된 고분자층(20) 상에 배치되며, 표면이 금속버퍼층(미도시)으로 코팅되고, 전술된 고분자층(20)을 바라보는 금속버퍼층 상에 엠보싱 형태로 복수개의 금속 파티클들(30)이 위치하는 제2 직물기판(40)을 포함한다. 이 때, 전술된 고분자층(20)이 전술된 금속 파티클들(30)과 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 전술된 고분자층(20) 및 전술된 금속 파티클들(30) 사이에서 마찰전기가 발생된다.The triboelectric energy generating element according to an embodiment of the present invention includes a first fabric substrate 10, a polymer disposed on the first fabric substrate 10 described above, having a surface having a concavo-convex shape, And a metal buffer layer (not shown) coated on the surface of the polymer layer 20 and a metal buffer layer 20 facing the above-mentioned polymer layer 20, And a second fabric substrate 40 on which the two metal particles 30 are located. At this time, as the polymer layer 20 described above repeats contact and non-contact with the metal particles 30 described above, triboelectricity occurs between the polymer layer 20 and the metal particles 30 described above do.

특히, 전술된 마찰전기 에너지 발생 소자는 전술된 고분자층(20) 및 전술된 금속 파티클들(30)의 마찰 표면적이 넓어져 마찰 전기 발생 효과가 극대화된다.
In particular, the above-described triboelectric energy generating element widens the friction surface area of the above-described polymer layer 20 and the above-mentioned metal particles 30, thereby maximizing the triboelectric generating effect.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are intended to assist in the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<제조예><Production Example>

버퍼물질인 Au가 코팅된 플렉서블한 직물기판 상에 제1 액티브 물질로 PDMS를 코팅한 뒤, 반응성 이온 에칭을 통해 PDMS 나노구조체를 형성했다. 이 후, 버퍼물질인 Au가 코팅된 플렉서블한 직물기판을 챔버에 넣고 3×10-6torr의 압력을 만든다. 그리고 제2 액티브 물질인 Al을 녹여 증착 속도 0.2Å/s로 기판 상에 2nm 두께의 엠보싱 형태로 Al 파티클들을 형성시켰다. 이 후, 전술된 Al 파티클이 전술된 PDMS를 향하도록 전술된 Al 파티클들이 형성된 직물기판을 배치시켜 마찰전기 에너지 발생 소자를 제조했다.
The PDMS nanostructure was formed by reactive ion etching after PDMS was coated with a first active material on a flexible fabric substrate coated with Au, which is a buffer material. After that, a flexible fabric substrate coated with Au, which is a buffer material, is put into the chamber to make a pressure of 3 × 10 -6 torr. The second active material, Al, was then melted to form Al particles in the form of a 2 nm thick embossed layer on the substrate at a deposition rate of 0.2 ANGSTROM / s. Thereafter, a triboelectric substrate on which the above-described Al particles were formed was disposed so that the above-mentioned Al particles were directed to the PDMS described above to produce a triboelectric energy generating element.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

전술된 제조예 1과 비교하여, 상부 전극기판을 PET 상에 ITO전극을 형성한뒤, ITO 전극 상에 Al을 2.0Å/s의 속도로 진공 증착하여 평활하게 형성한 것을 제외하곤, 동일한 조건으로 마찰전기 에너지 발생 소자를 제조했다.
As compared with the above-described Production Example 1, except that an ITO electrode was formed on PET on the upper electrode substrate, and then Al was vacuum-deposited on the ITO electrode at a rate of 2.0 ANGSTROM / s to be smoothly formed, Thereby producing a triboelectric energy generating element.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

전술된 제조예 1과 비교하여, 버퍼물질로 Au가 코팅된 플렉서블한 직물기판 상에 제2 액티브 물질인 Al을 2.0Å/s의 속도로 진공 증착하여 평활하게 형성한 것을 제외하곤, 동일한 조건으로 마찰전기 에너지 발생 소자를 제조했다.Compared with the above-described Production Example 1, except that Al, which is a second active material, was vacuum-deposited at a speed of 2.0 Å / s on a flexible fabric substrate coated with Au as a buffer material and formed smoothly, Thereby producing a triboelectric energy generating element.

도 2는 제조예 1의 직물기판 상에 코팅된 PDMS 나노 구조체의 평면 이미지이다.Fig. 2 is a planar image of a PDMS nanostructure coated on a fabric substrate of Production Example 1. Fig.

도 2를 참조하면, PDMS 표면이 요철구조를 가지며 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the surface of the PDMS has a concavo-convex structure and is uniformly formed.

결과적으로, 직물기판 상에 형성된 고분자층을 드라이에칭함에 따라 표면이 요철구조를 가져 마찰 표면적이 향상됨을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the surface of the polymer layer formed on the fabric substrate has a concave-convex structure due to the dryness, thereby improving the friction surface area.

도 3은 제조예 1의 직물기판 상에 코팅된 PDMS 나노 구조체의 단면 이미지이다.3 is a cross-sectional image of the PDMS nanostructure coated on the fabric substrate of Production Example 1. Fig.

도 3을 참조하면, 길게는 2μm, 평균 200 ~ 300 nm의 직경을 갖는 나노 구요철 조체가 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that a nanofiber iron body having a diameter of 2 μm and an average length of 200 to 300 nm is formed.

결과적으로, 직물기판 상에 형성된 고분자층을 드라이에칭함에 따라 표면이 매우 미세한 요철구조를 가져 마찰표면적이 향상됨을 알 수 있다.As a result, the surface of the polymer layer formed on the fabric substrate is referred to as dry, and the surface of the polymer layer has a very fine concavo-convex structure, thereby improving the friction surface area.

도 4는 제조예 1에서 직물기판 상에 코팅된 Al 코팅층 표면 SEM 이미지이다.4 is a SEM image of a surface of an Al coating layer coated on a fabric substrate in Production Example 1. Fig.

도 4을 참조하면, 직물기판 상에 Al이 엠보싱 형태로 코팅된 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that Al is coated on the fabric substrate in an embossed form.

결과적으로, 직물기판 상에 낮은 속도로 진공 증착된 금속코팅층은 엠보싱 형태로 코팅되어 마찰표면적이 향상됨을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the metal coating layer vacuum-deposited on the fabric substrate at low speed is coated in an embossed form to improve the friction surface area.

도 5은 비교예 1의 직물기판 상에 코팅된 Al 코팅층 표면 SEM 이미지이다.5 is a SEM image of a surface of an Al coating layer coated on a fabric substrate of Comparative Example 1. Fig.

도 5를 참조하면, 비교예 1의 경우 Al 코팅층이 평활하게 형성됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, in the case of Comparative Example 1, it can be seen that the Al coating layer is smoothly formed.

도 6은 비교예 2의 직물기판 상에 코팅된 Al 코팅층 표면 SEM 이미지이다.6 is a SEM image of a surface of an Al coating layer coated on a fabric substrate of Comparative Example 2. Fig.

도 6를 참조하면, 비교예 2의 경우 Al 코팅층이 평활하게 형성됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, in the case of Comparative Example 2, it can be seen that the Al coating layer is smoothly formed.

도 7은 제조예, 비교예 1, 및 비교예2의 출력 전압을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the output voltages of Production Example, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Fig.

도 7을 참조하면, 제조예의 경우 출력 전압이 259V로, 비교예 2가 200V, 비교예 1이 20V의 순으로 제조예는 비교예1과 비교하여 약 10배 이상의 우수한 출력 전압 향상 효과를 나타냄을 알 수 있다. Referring to FIG. 7, the production example shows an excellent output voltage improvement effect of about 10 times or more as compared with Comparative Example 1 in the order of output voltage of 259 V, Comparative Example 2 of 200 V, and Comparative Example 1 of 20 V in this order Able to know.

결론적으로, 본 발명의 마찰전기 에너지 발생 소자는 마찰 표면적이 극대화됨에 따라 출력전압이 우수함을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the triboelectric energy generating element of the present invention has an excellent output voltage as the friction surface area is maximized.

도 8는 제조예, 비교예 1, 및 비교예2의 출력 전류를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the output currents of Production Example, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Fig.

도 8를 참조하면, 제조예의 경우 출력 전류가 78uV로, 비교예 2가 75uV, 비교예 1이 20uV의 순으로 제조예는 비교예1과 비교하여 약 4배 이상의 우수한 출력 전류 향상 효과를 나타냄을 알 수 있다. Referring to FIG. 8, the production example shows an excellent output current improvement effect of about 4 times or more as compared with Comparative Example 1 in the order of output current of 78 uV, Comparative Example 2 of 75 uV, and Comparative Example 1 of 20 uV in this order Able to know.

결론적으로, 본 발명의 마찰전기 에너지 발생 소자는 마찰 표면적이 극대화됨에 따라 출력전류가 우수함을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the triboelectric energy generating element of the present invention has excellent output current as the friction surface area is maximized.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 파티클 층의 두께에 따른 표면 SEM이미지들이다.9 is SEM images of the surface of the metal particle layer according to the thickness of the metal particle layer according to an embodiment of the present invention.

도 9의(a)는 직물 기판의 표면의 SEM 이미지이고, (b), (c), (d), 및(e)는 각각 Au 직물 기판 상에 Al 금속 파티클들을 평균 2nm, 3nm, 4nm, 5nm의 두께로 증착하여 금속 파티클들의 표면을 촬영한 SEM 이미지이다.9 (a) is an SEM image of the surface of the fabric substrate, (b), (c), (d) and (e) And the surface of the metal particles is photographed.

도 9를 참조하면, 2nm의 두께로 금속 물질이 코팅될 경우, 막 형태로 금속 물질이 코팅될 확률이 높아짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, when a metal material is coated with a thickness of 2 nm, the probability that a metal material is coated in a film form increases.

또한, 5nm의 두께로 금속 물질이 코팅될 경우, 다시 막 형태로 금속 물질이 코팅될 확률이 높아짐을 알 수 있다.In addition, when the metal material is coated with a thickness of 5 nm, the probability that the metal material is coated again in a film form increases.

결론적으로, 금속 파티클들의 평균 두께를 3nm 내지 4nm로 형성하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
As a result, it is preferable to form the average thickness of the metal particles to 3 nm to 4 nm.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the invention. Change is possible.

10 : 하부 전극기판 20 : 고분자 나노구조체층
30 : 금속코팅층 40 : 상부 전극기판
10: lower electrode substrate 20: polymer nanostructure layer
30: metal coating layer 40: upper electrode substrate

Claims (13)

제1 직물기판;
상기 제1 직물기판 상에 배치되고, 표면이 요철 형태를 가지며, 대전 특성을 갖는 고분자를 포함하는 고분자층; 및
상기 고분자층 상에 배치되며, 표면이 금속버퍼층으로 코팅되고, 상기 고분자층을 바라보는 금속버퍼층 상에 엠보싱 형태로 복수개의 금속 파티클들이 위치하는 제2 직물기판을 포함하되,
상기 고분자층이 상기 금속 파티클들과 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 상기 고분자층 및 상기 금속 파티클들 사이에서 마찰전기가 발생되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자.
A first fabric substrate;
A polymer layer disposed on the first fabric substrate, the polymer layer having a surface having a concavo-convex shape and having a charging property; And
A second fabric substrate disposed on the polymer layer and having a surface coated with a metal buffer layer and a plurality of metal particles positioned in an embossed form on a metal buffer layer facing the polymer layer,
Wherein triboelectricity is generated between the polymer layer and the metal particles as the polymer layer repeats contact and noncontact states with the metal particles.
제1항에 있어서,
상기 금속버퍼층은 Au, Cu, Ag 및 Pt로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 에너지 발생소자.
The method according to claim 1,
Wherein the metal buffer layer comprises at least one selected from the group consisting of Au, Cu, Ag and Pt.
제2항에 있어서,
상기 금속 파티클들에 포함된 금속 물질은 상기 금속버퍼층에 포함된 금속 물질과 다른 물질인 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생소자.
3. The method of claim 2,
Wherein the metal material contained in the metal particles is different from the metal material contained in the metal buffer layer.
제3항에 있어서,
상기 금속 파티클들은 Al, Zn, Mg로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 에너지 발생 소자.
The method of claim 3,
Wherein the metal particles include at least one selected from the group consisting of Al, Zn, and Mg.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane), 폴리테트라 플루오르에틸렌 (PTFE, Polytetrafluoroethylene), 및 폴리염화비닐 (PVC, Polyvinyl chloride)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 마찰전기 에너지 발생 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the polymer comprises at least one selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinyl chloride (PVC).
제1항에 있어서,
상기 금속 파티클은 마찰 대전체 및 전극 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the metal particles serve as an entire friction pad and an electrode.
제1 직물기판을 준비하는 단계;
상기 제1 직물기판 상에 표면이 요철 형태를 가지며, 대전 특성을 갖는 고분자를 포함하는 고분자층을 형성하는 단계;
표면에 금속버퍼층으로 코팅된 제2 직물기판의 상기 금속버퍼층 상에 엠보싱 형태로 복수개의 금속 파티클들을 형성하는 단계; 및
상기 고분자층과 상기 금속 파티클들이 마주보도록 상기 고분자층이 형성된 제1 직물기판 상에 상기 제2 직물기판을 배치하는 단계를 포함하되,
상기 고분자층이 상기 금속 파티클들과 접촉 및 비접촉 상태를 반복함에 따라 상기 고분자층 및 상기 금속 파티클들 사이에서 마찰전기가 발생되는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법.
Preparing a first fabric substrate;
Forming a polymer layer on the first fabric substrate, the polymer layer having a surface having a concavo-convex shape and having a charging property;
Forming a plurality of metal particles in an embossed form on the metal buffer layer of a second fabric substrate coated with a metal buffer layer on the surface; And
Disposing the second fabric substrate on a first fabric substrate on which the polymer layer is formed such that the polymer layer and the metal particles face each other,
Wherein triboelectricity is generated between the polymer layer and the metal particles as the polymer layer repeats contact and noncontact states with the metal particles.
제7항에 있어서,
상기 고분자층을 형성하는 단계는 드라이 에칭 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step of forming the polymer layer uses a dry etching process.
제8항에 있어서,
상기 드라이 에칭 공정은 반응성 이온에칭(reactive ion etching, RIE) 공정 및 유도 결합형 플라즈마(Inductively coupled plasma, ICP) 공정으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the dry etching process uses at least one process selected from the group consisting of a reactive ion etching (RIE) process and an inductively coupled plasma (ICP) process. / RTI &gt;
제7항에 있어서,
상기 금속버퍼층 상에 금속 파티클들을 형성하는 단계는,
진공 증착법을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein forming metal particles on the metal buffer layer comprises:
And then performing a vacuum evaporation process to form the triboelectric energy generating device.
제10항에 있어서,
상기 진공 증착법은 0.1Å/s 내지 0.2Å/s의 속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the vacuum deposition is performed at a rate of 0.1 A / s to 0.2 A / s.
제11항에 있어서,
상기 금속버퍼층 상에 금속 파티클들을 형성하는 단계는,
상기 금속 파티클들의 평균 두께가 3nm 내지 4nm의 두께로 형성될 때까지 상기 금속 파티클들을 증착하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein forming metal particles on the metal buffer layer comprises:
Wherein the metal particles are deposited until an average thickness of the metal particles is formed to a thickness of 3 nm to 4 nm.
제7항에 있어서,
상기 금속 파티클들에 포함된 금속 물질은 상기 금속버퍼층에 포함된 금속 물질과 다른 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 마찰전기 에너지 발생 소자의 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the metal material contained in the metal particles is different from the metal material contained in the metal buffer layer.
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